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1、刘增华刘增华 基础楼基础楼605605 20152015年年1111月月1212日日现代传感与检测技术现代传感与检测技术北京工业大学硕士研究生选修课北京工业大学硕士研究生选修课一、绪论一、绪论（一）现代传感技术（一）现代传感技术目录目录 一、概述一、概述 二、传感技术的发展方向二、传感技术的发展方向 三、新型传感效应三、新型传感效应 四、新型传感材料四、新型传感材料 五、先进加工技术五、先进加工技术 六、研究热点六、研究热点一、概述一、概述传感技术传感技术是关于传感器原理、结构、材料是关于传感器原理、结构、材料、设计、制造及应用的综合技术。、设计、制造及应用的综合技术。传感器处于检测过程的第一
2、个环节，它直接传感器处于检测过程的第一个环节，它直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传递的物理量，是获得信息的重要一种易于传递的物理量，是获得信息的重要手段，与手段，与通信技术、计算机技术通信技术、计算机技术并成为并成为现代信息技术中的三大核心技术。现代信息技术中的三大核心技术。现代传感器技术发展的必要性现代传感器技术发展的必要性 及其动态及其动态传感技术是人类探知自然界信息的触觉，是人传感技术是人类探知自然界信息的触觉，是人 类认识和控制对象的条件和依据，是类认识和控制对象的条件和依据，是2121世纪世世纪世 界各国在高新技术发展方面争夺的
3、一个重要领界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领 域。域。 传感器是自动化系统和信息系统的关键性基础传感器是自动化系统和信息系统的关键性基础 器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信 息系统的水平，传感器的好坏对系统质量起着息系统的水平，传感器的好坏对系统质量起着 决定性作用。决定性作用。 目前，我国在工业上应用的大多数传感器技目前，我国在工业上应用的大多数传感器技术存在很多不足。为使产品在术存在很多不足。为使产品在市场中市场中更具竞更具竞争力，在开发及采用新型仪表和控制技术同争力，在开发及采用新型仪表和控制技术同时，也应对传感器技术的开发予以高度重视
4、时，也应对传感器技术的开发予以高度重视。全美电站有关统计数据表明，改进、优化过全美电站有关统计数据表明，改进、优化过程传感器与仪表能程传感器与仪表能改善电站热效率达改善电站热效率达1%1%，每年节约约每年节约约3 3亿美元亿美元。另外，采用先进传感。另外，采用先进传感器与仪表若使设备利用率器与仪表若使设备利用率提高提高1%1%的话，每的话，每年可年可节约约节约约3030亿美元亿美元。 人类已进入信息时代，获取信息是利用信人类已进入信息时代，获取信息是利用信息的先决条件。通过传感器获得的信息正息的先决条件。通过传感器获得的信息正确与否直接关系到整个测量或控制系统的确与否直接关系到整个测量或控制系
5、统的成败与精度，因此，在检测系统中占有十成败与精度，因此，在检测系统中占有十分重要的位置。分重要的位置。新效应、新材料、新工艺新效应、新材料、新工艺的出现，促进的出现，促进新型传感器的问世。新型传感器的问世。二、现代传感器的定义二、现代传感器的定义现代传感器现代传感器是一种能把物理量或化学量转变是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会国际电工委员会的定义为：的定义为：“传感器是测量传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号可供测量的信号”。国家标准国家标准GB7665-87GB
6、7665-87的的定义为：定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置规律转换成可输出信号的器件或装置”。定义包含以下几方面的含义：定义包含以下几方面的含义： (1)(1) 传感器是测量装置，能完成检测任务，传感器是测量装置，能完成检测任务， 在检测系统中，传感器是必备装置。在检测系统中，传感器是必备装置。 (2)(2) 它的输入量是某一被测量，可能是物理量它的输入量是某一被测量，可能是物理量 ，也可能是化学量、生物量等；，也可能是化学量、生物量等； (3)(3) 它的输出量是某种物理量，这种量要便于它的输出量是某种物理量，这种量要便于
7、 传输、转换、处理、显示等，这种量可以传输、转换、处理、显示等，这种量可以 是气、光、电量；是气、光、电量； (4)(4) 输出输入有对应关系，且应有一定的精确输出输入有对应关系，且应有一定的精确 程度。程度。传感器的构成：传感器的构成：敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件敏感元件是传感器的核心，它的作用是直接感是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。转换元件转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量。将敏感元件的输出转换成电路参量。基本转换电路基本转换电路是一些能把敏感器件或转换元件是一些能把敏感器件或转换元件输
8、出的电信号转换为便于显示、记录和处理等输出的电信号转换为便于显示、记录和处理等有用的电信号的装置。有用的电信号的装置。随着集成电路制造技术的发展，现在已能把随着集成电路制造技术的发展，现在已能把一些一些处理电路和传感器处理电路和传感器集成在一起，购车功集成在一起，购车功能能集成传感器集成传感器。进一步的发展是将传感器和。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成了微处理器相结合，装在一个检测器中形成了一种新型一种新型“智能传感器智能传感器”。它将具有一定。它将具有一定的的信号调理、信号分析、环境适应信号调理、信号分析、环境适应等能力，等能力，甚至具有一定的甚至具有一定的辨认、
9、识别、判断辨认、识别、判断的功能。的功能。二、传感技术的发展方向二、传感技术的发展方向当今传感器技术的主要发展动向：当今传感器技术的主要发展动向：(1)(1)开展基础研究，重点研究传感器的新原开展基础研究，重点研究传感器的新原理、新材料和新工艺；理、新材料和新工艺；(2)(2)实现传感器的微型化、阵列化、集成化实现传感器的微型化、阵列化、集成化和智能化。和智能化。从当前高新技术发展趋势来看，传感技术发从当前高新技术发展趋势来看，传感技术发展方向具体表现在以下几个主要方面。展方向具体表现在以下几个主要方面。(1) (1) 发现并利用新现象与新效应发现并利用新现象与新效应利用物理现象、化学反应和生
10、物效应是各种利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，发现新现象与新效传感器工作的基本原理，发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。例如，利用超导技术发新型传感器的基础。例如，利用超导技术研制成功研制成功高温超导磁传感高温超导磁传感器器，其灵敏度比霍尔器件，其灵敏度比霍尔器件高。制造工艺相对简单，高。制造工艺相对简单，可用于磁成像技术。可用于磁成像技术。(1) (1) 发现并利用新现象与新效应（续）发现并利用新现象与新效应（续）据报道，美国国立实验室的研究人员正在研据报道，美国国立实验室的研究人员正在研制
11、变色传感器，当存在目标物质时传感器由制变色传感器，当存在目标物质时传感器由蓝色变成红色。蓝色变成红色。参照细胞膜的模型，可针对一种特定的生物参照细胞膜的模型，可针对一种特定的生物目标设计传感器。一旦识别出目标物质，膜目标设计传感器。一旦识别出目标物质，膜将由蓝色变成红色，提示有目标物质存在。将由蓝色变成红色，提示有目标物质存在。钱永健钱永健 (Roger Yonchien Tsien)(Roger Yonchien Tsien) 1952年出生，美国生物化学家。 2008年诺贝尔化学奖得主，美国国家科学院院士，美国国家医学 院院士，美国艺术与科学院院士 。从事的研究 工作：生物 发光现象研 究
12、(2) (2) 利用新材料利用新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材 料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器 。以下三个方向：。以下三个方向： A A 在已知的材料中探索新现象、效应和反应，在已知的材料中探索新现象、效应和反应， 然后使他们能在传感器技术中得到实际应用；然后使他们能在传感器技术中得到实际应用； B B 探索新材料，应用那些已知现象、效应和反探索新材料，应用那些已知现象、效应和反 应来改进传感器技术；应来改进传感器技术； C C 在研究新型材料的基础上，探索新现象、新在研究新型材料的基础上
13、，探索新现象、新 效应和新反应，并在传感器技术中加以实施。效应和新反应，并在传感器技术中加以实施。近年来，对传感器材料的开发研究有了较大进近年来，对传感器材料的开发研究有了较大进展，主要发展趋势如下：展，主要发展趋势如下：A A 单晶体到多晶体、非晶体；单晶体到多晶体、非晶体；B B 单一型材料到复合材料；单一型材料到复合材料；C C 原子（分子）型材料的人工合成。原子（分子）型材料的人工合成。现代传感器制造业的发展取决于传感器技术的现代传感器制造业的发展取决于传感器技术的新材料和敏感元件的开发。传感器开发的基本新材料和敏感元件的开发。传感器开发的基本趋势和半导体以及介质材料的应用密切关联。趋
14、势和半导体以及介质材料的应用密切关联。目前人们已在采用硅或金属和非金属合成的目前人们已在采用硅或金属和非金属合成的化合物半导体等敏感材料、陶瓷材料、非晶化合物半导体等敏感材料、陶瓷材料、非晶化或薄膜化磁性材料和智能材料化或薄膜化磁性材料和智能材料( (包括生物包括生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物等状记忆聚合物等) )等来研制传感器。例如：等来研制传感器。例如：等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿度传感器测湿等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿度传感器测湿范围宽、使用温度范围可达范围宽、使用温度范围可达-4001500-4001500、响应速度快、响应速度
15、快( (小于小于1s)1s)，且其尺寸小，可用，且其尺寸小，可用于小空间测湿。于小空间测湿。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生 研究所报道了一种新型柔性可穿戴仿研究所报道了一种新型柔性可穿戴仿 生触觉传感器生触觉传感器人造仿生电子皮肤人造仿生电子皮肤。 以丝绸为模板方式，实现了具有微纳以丝绸为模板方式，实现了具有微纳 米结构薄膜的可控制备，并与自支撑米结构薄膜的可控制备，并与自支撑 单壁碳纳米管超薄膜结合，构筑了具单壁碳纳米管超薄膜结合，构筑了具 有高灵敏度的柔性仿生电子皮肤，并有高灵敏度的柔性仿生电子皮肤，并 将其应用于对将其应用于对脉搏、语音等脉搏、语音等人体
16、生理人体生理 信号的实时快速检测，通过对人体说信号的实时快速检测，通过对人体说 话时喉部肌肉群运动产生的话时喉部肌肉群运动产生的微弱压力微弱压力 变化及脉搏波形变化分析变化及脉搏波形变化分析, ,推进了可推进了可 穿戴设备在语音辅助输出系统、人体穿戴设备在语音辅助输出系统、人体 健康评价和疾病前期诊断方面的应用健康评价和疾病前期诊断方面的应用 。(Advanced Materials, 2014)(Advanced Materials, 2014)(3) (3) 微型化、量子化拓广微型化、量子化拓广采用采用微细加工技术微细加工技术( (包括离子束、电子束、分包括离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术) )制造各种新型传感器，如利用半导体技术制制造各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工
